De la Tierra a la Luna… optimizando cada gramo. Optimización mecánica del brazo de suspensión de un rover lunar.
Explorar la Luna es una misión compleja desde el punto de vista de la ingeniería de materiales. Las condiciones extremas del entorno —baja gravedad, temperaturas que oscilan entre +150 °C y −180 °C, polvo abrasivo y ausencia de atmósfera— obligan a repensar cada componente mecánico desde cero.
En el proyecto "Mechanical optimization of the Moon rover's suspension arm", que realicé en 2024, se parte del diseño de un brazo de la suspensión del trabajo publicado: "Mechanical Analysis and Performance Optimization for the Lunar Rover’s Vane-Telescopic Walking Wheel", cuyo enlace indico a continuación:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809920301867?via%3Dihub
El resumen traducido de dicho trabajo es el siguiente: "Es bien sabido que optimizar el sistema de ruedas de los vehículos lunares es esencial. Sin embargo, se trata de una tarea difícil debido a la complejidad del terreno lunar y a los recursos limitados a bordo de los vehículos lunares. En este estudio, se creó un prototipo experimental para analizar el diseño mecánico existente de un vehículo lunar y mejorar su rendimiento. En primer lugar, se propuso una nueva rueda telescópica con paletas para el vehículo lunar con una suspensión cuadrangular positiva y negativa, teniendo en cuenta el complejo terreno de la Luna. A continuación, se optimizó el rendimiento bajo las limitaciones de preservar el paso de pendientes y minimizar el consumo de energía. Esto se logró mediante el análisis de la fuerza de la rueda durante el movimiento. Por último, se demostró la eficacia del método propuesto mediante varios experimentos de simulación. La rueda de nuevo diseño puede sobresalir según sea necesario y reducir el consumo de energía; puede utilizarse como referencia para la ingeniería de desarrollo de vehículos lunares en China."
Por mi parte, y de forma independiente, mi trabajo consistió en redefinir uno de los brazos del explorador logrando la mayor reducción de peso y el menor coste, sin comprometer la integridad del componente, y teniendo en cuenta las demandantes condiciones a las que se vería expuesto.
Resumen y objetivos del trabajo
El presente estudio aborda el rediseño de un brazo de suspensión para un vehículo lunar mediante técnicas de optimización topológica y fabricación aditiva.
El objetivo principal fue reducir la masa y el coste de fabricación manteniendo los requisitos de rigidez, frecuencia natural y seguridad estructural bajo condiciones extremas del entorno lunar.
Se emplearon distintos materiales compatibles con manufactura aditiva (AlSi10Mg, Ti6Al4V y EOS HT-23) y se realizaron diversos análisis bajo múltiples escenarios de carga: reposo, lanzamiento, impacto y gradientes térmicos entre +150 °C y −180 °C.
El resultado final logró una reducción de masa del 72 % respecto al modelo original mecanizado en aluminio 7075-T6, manteniendo un factor de seguridad superior a 5 y una frecuencia natural por encima de 700 Hz.
Condiciones lunares
- Gravedad. Debido a su menor masa, la gravedad de la Luna es de 1,62 m/s2, lo que es aproximadamente 6 veces menos que la de la Tierra.
- Presión atm0sférica. Ausencia de presión atmosférica.
- Condiciones térmicas. La temperatura superficial de la Luna puede alcanzar los 150 °C durante el día y descender hasta los −180 °C durante la noche.
- Corteza lunar. La superficie de la corteza lunar está llena de canales o grietas producidas por la actividad volcánica o fracturas de la corteza originadas en el pasado lejano, así como cráteres producidos por el impacto de meteoritos. También se pueden encontrar crestas y cúpulas fruto de la lava que se proyectó en erupciones pasadas.
- Ausencia de un campo magnético significativo en la Luna (lo que permite que las partículas cargadas del viento solar colisionen continuamente con la superficie lunar).
El terreno lunar
El regolito lunar es el «suelo» de la Luna. Esta sustancia rocosa y polvorienta es el resultado de un constante ataque cósmico a la superficie lunar, con agresores que van desde meteoritos de todos los tamaños hasta partículas cargadas procedentes del Sol. El bombardeo ha descompuesto las capas superiores de la corteza, creando una gruesa capa de material suelto que se asienta sobre el lecho rocoso. Sus partículas incluyen diminutas motas de polvo, rocas del tamaño de una casa y todo lo que hay entre medias. Son fragmentos de roca, minerales, vidrios de impacto y volcánicos, y «aglutinados», así como trozos de minerales pegados entre sí con vidrio, creados cuando el calor abrasador del impacto de un micrometeorito derrite parte del suelo lunar. Los fragmentos más finos, el polvo lunar, pueden situarse por debajo de las 10-20 micras (mucho más pequeños que el grosor de un cabello humano).
Las huellas de las botas de los astronautas marcan el regolito lunar en esta fotografía del Apolo 15, tomada por el astronauta David Scott durante una caminata lunar en 1971. En el fondo se puede ver parte de las montañas Apeninas. La cuadrícula de cruces negras que aparece en cada imagen del Apolo se puede utilizar para calcular distancias y alturas en el paisaje lunar. Crédito: https://science.nasa.gov/moon/composition/?intent=021
Además, la superficie lunar está expuesta a la energía solar en forma de radiación UV y plasma del viento solar. El plasma del viento solar es un flujo variable de iones y electrones nominalmente a 5 el/cm3, que normalmente se propaga radialmente desde el sol a ∼400 km/s. La superficie lunar se cargará en un intento de equilibrar todas las corrientes, incluidos los fotoelectrones liberados por los rayos UV.
Corrientes lunares y potenciales superficiales. Crédito: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0273117714008035
"La topografía local tiene un efecto significativo en el flujo de electrones e iones de plasma que llegan a la superficie. Consideremos un cráter situado en la región polar lunar. Del mismo modo que se forma un vacío de plasma en el lado opuesto al Sol de la Luna, se crea un vacío similar a escala local cuando el viento solar fluye horizontalmente sobre un cráter polar. Se crea una miniestela en el lado de sotavento del borde del cráter debido a la ausencia de flujo de viento solar: los electrones térmicos rápidos del plasma se expanden a lo largo de las líneas del campo magnético hacia el vacío aguas abajo de la pared del cráter, por delante de los iones, lo que hace que la carga superficial sea fuertemente negativa (100 voltios) (Farrell et al., 2010; Zimmerman et al., 2011; Jackson et al., 2011). "
La figura ilustra esta expansión del plasma en el cráter polar. Crédito: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0273117714008035
Aprovecho para dejar este enlace de la página web de la NASA donde se expone la composición de la luna.
Caela Barry
También existe una web donde se pueden consultar y analizar las muestras recogidas en diferentes misiones:
"¡Tu viaje a la biblioteca virtual 3D de materiales astronómicos de la Colección Lunar Apolo de la NASA comienza aquí!
Las extraordinarias muestras de materiales astronómicos que aquí se presentan fueron recogidas en la Luna durante las seis misiones Apolo a la superficie lunar entre 1969 y 1972. En las misiones Apolo, doce astronautas exploraron el paisaje lunar y recogieron 382 kilogramos de rocas lunares, muestras del núcleo, guijarros, arena y polvo de la Luna. Las rocas registran la evidencia geológica y cosmoquímica de los materiales y procesos que las crearon. Los geólogos suelen decir que «la historia está en la roca». Las rocas, por lo tanto, guardan en su interior la maravilla de la formación de nuestro cosmos. Le invitamos a explorar estas rocas e historias por sí mismo..."
Para aquellos que quieran "recorrer" el terreno lunar, pueden consultar el enlace que se indica a continuación, donde se permite tomar capturas, consultar ubicaciones de misiones realizadas, comparativas de superficie, capas e incluso extraer ficheros en 3D:
El reto: máxima resistencia con mínima masa
Tras lo expuesto, queda patente que el diseño de sistemas mecánicos para misiones espaciales debe responder a un conjunto de exigencias extremas: baja gravedad, vacío, radiación solar directa, grandes saltos térmicos y abrasión del regolito lunar.
El brazo de suspensión de un rover constituye un elemento crítico, pues conecta la rueda con el chasis y transmite las cargas de impacto, tracción y frenado. El propósito: reducir masa y coste sin comprometer rigidez, frecuencia natural ni factor de seguridad.
Se partió de un modelo de referencia fabricado en aluminio 7075-T6, con una masa inicial de 2,1 kg. A partir de ahí, se definieron siete condiciones de carga que reproducían tanto las fuerzas en reposo como las fuerzas durante el lanzamiento, el aterrizaje y los impactos sobre el terreno lunar.
En este contexto, la optimización topológica surge como una herramienta de gran potencial. Esta técnica, basada en algoritmos iterativos y simulaciones por elementos finitos, permite redistribuir el material dentro de un volumen de diseño para obtener la mejor relación entre rigidez, masa y resistencia. Mediante dicha técnica, se eliminaron regiones del brazo que no contribuían significativamente a la resistencia estructural. El resultado fueron diseños con morfologías orgánicas y esqueléticas, prácticamente imposibles de mecanizar, pero perfectas para impresión 3D.
Se recomienda la lectura de este artículo donde se exponen las bondades de dicha técnica:
Miguel A.
Despegue
Con tal de simular todos los escenarios posibles, también se tuvieron en consideración las fuerzas G producidas durante el despegue.
- FUERZAS G DURANTE EL DESPEGUE: 6 G MÁX.
Dado que no encontré información detallada en cuanto al tipo de cohete a emplear en el explorador lunar tomado como referente, tomé la información publicada por SpaceX para el Falcon 9 en su "Falcon user's guide (September 2021)", que usé como guía para el cálculo simplificado de las condiciones de despegue.
Modelo inicial
Para llevar a cabo posteriormente la optimización se requería la reconstrucción del modelo desde cero, ya que no encontré referencias al respecto ni me fue posible disponer del modelo real. El modelo fue diseñado en Fusion 360 (https://www.autodesk.com/es/products/fusion-360/overview).
Imágenes renderizadas del diseño original. Trabajo propio.
En lo que respecta a la selección del brazo de la suspensión objeto de análisis, se optó por el señalado en rojo en la captura inferior, originalmente considerado en aluminio 7075.
Se realizan las correspondientes simulaciones mediante elementos finitos con tal de obtener las reacciones en los nodos, y se plantean algunos de los materiales que podrían ser candidatos para usarse en fabricación aditiva.
Materiales evaluados
| Material | Proceso | Densidad (g/cm³) | Límite elástico (MPa) | Módulo elástico (MPa) | Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|
| Al 7075-T6 | CNC | 2,81 | 503 | 71 000 | Referencia inicial |
| AlSi10Mg | SLM | 2,67 | 270 | 73 000 | Buena relación peso/resistencia |
| Ti6Al4V | SLM | 4,43 | 894 | 113 000 | Alta resistencia, coste elevado |
| EOS HT-23 (PEEK + CF) | SLS | 1,39 | 71 | 6 500 | Polímero técnico para ambientes térmicos |
Definición del volumen de creación
Tras evaluar el rango de movimiento de los brazos, con el fin de evitar colisiones, se define el volumen disponible, generando un sólido inicial para las optimizaciones topológicas. Es decir, este volumen determinará posteriormente en que lugares del espacio definido se podrá distribuir el material. Fuera de este espacio la optimización topológica no permitirá la adición de material.
Este volumen fue definido sobre el propio diseño en Fusion 360.
Análisis del componente original
El vehículo simulado tenía una masa total de 120 kg y cada rueda 3,5 kg. Las simulaciones se realizaron considerando análisis estático, modal y térmico, garantizando una frecuencia mínima de 140 Hz (criterio de no resonancia).
A continuación las fuerzas en reposo consideradas, así como la aceleración de la gravedad en cada escenario:
- GRAVEDAD EN LA TIERRA: 9,8 m/s2
- GRAVEDAD EN LA LUNA: 1,625 m/s2
- MASA DEL VEHÍCULO: 120 kg
- MASA DE LAS RUEDAS: 3,5 kg
En las capturas siguientes se mostrarán todas las condiciones evaluadas en la simulación:
Condición 1. Masa en reposo en la Tierra.
Condición 2. Fuerzas G durante el despegue / Condición 3. Análisis modal (frecuencia) durante el despegue >140 Hz
Condición 4. Masa en reposo en la luna durante el día.
Condición 5. Masa en reposo en la luna durante la noche.
Condición 6. Colisión en una situación desfavorable durante un recorrido a 3 m/s. Impacto directo en el punto medio de la rueda con el brazo extendido verticalmente durante el día.
Condición 7. Colisión en una situación desfavorable durante un recorrido a 3 m/s. Impacto directo en el punto medio de la rueda con el brazo extendido verticalmente durante la noche.
Condición 4 + 6. Combinación de los escenarios 4 y 6.
Condición 5 + 7. Combinación de los escenarios 5 y 7.
Las siguientes simulaciones fueron realizadas con nTop (https://www.ntop.com/).
Análisis estático en la Tierra.
Análisis estático y modal del despegue.
Análisis estático en la luna.
Simulación de estrés térmico en la luna.
Propuestas de diseño
A partir del volumen disponible definido previamente, se aplicaron algoritmos de optimización topológica de densidad con distintas fracciones de volumen (VC) y parámetros de penalización (BP).
Posteriormente, se analizaron variantes con:
- Cáscaras (shell) de espesor variable (1,3–3 mm)
- Rellenos reticulares tipo gyroid (Lattice)
- Estructuras híbridas (TopOpt + Shell + Lattice)
Cada diseño se sometió a validación por FEA (tensiones de Von Mises, deformaciones, desplazamientos máximos y modos propios) para condiciones terrestres y lunares según los escenarios ya descritos.
Para el diseño y análisis de dichas propuestas se empleó nTop.
Diseños propuestos. Comparativa de pesos empleando el mismo material.
Diseños propuestos. Comparativa de pesos empleando el mismo material.
Diseños finalmente seleccionados para la evaluación.
Resultados
Diseño original empleando otros materiales.
Diseño 1 - Lattice.
Para el mismo volumen.
Diseño 2 - Top. Opt. + Shell (3 mm).
Para el mismo volumen. VC: 0,2. Material: AlSi10.
Diseño 2 - Top. Opt. + Shell (1,3 mm).
Para el mismo volumen. VC: 0,2.
Diseño 2 - Top. Opt. + Shell (1,5 mm).
Para el mismo volumen. VC: 0,2. Material: Ti6Al4V.
Diseño 2 - Top. Opt. + Shell (3).
Para el mismo volumen. VC: 0,2. Material: Ti6Al4V.
Resumen diseño 2 - Top. Opt. + Shell.
Para el mismo volumen.
Diseño 3 - Top. Opt. + Shell + Gyroid. VC: 0,1 BP:0,5
Material: HT23.
Diseño 4 - Top. Opt. VC: 0,01 BP: 1
Material: AlSi10
Diseño 5 - Top. Opt. + Shell (3 mm) VC: 0,01 BP: 1
Material: Ti6Al4V
Diseño 5 - Top. Opt. + Shell (1,5 mm) VC: 0,01 BP: 1
Material: Ti6Al4V
Resumen Diseño 5 - Top. Opt. + Shell
Comparativa global
Rendimiento mecánico
Los mejores resultados se obtuvieron con el diseño TopOpt + Shell en AlSi10Mg y en Ti6Al4V. Comparado con el diseño original, el rediseño logró:
- Reducción de peso: de 2096 g a 586 g (−72 %)
- Desplazamiento máximo: < 1,5 mm
- Factor de seguridad: > 5 en análisis estático
- Frecuencia natural: 736 Hz (sin riesgo de resonancia)
En comparación, el diseño reticular (lattice) ofreció buena frecuencia modal (1426 Hz) pero menor ahorro de masa (−34 %). Los diseños en polímero EOS HT-23 no alcanzaron los criterios de rigidez.
Rendimiento térmico
El gradiente térmico lunar de 330 °C generó tensiones térmicas significativas, especialmente en zonas de anclaje. Se observó que los materiales metálicos mantenían márgenes seguros (σ_VM < 4 × 10⁸ Pa), mientras que los polímeros reforzados presentaban deformaciones inadmisibles. Por ello, el estudio concluyó que las aleaciones metálicas SLM (AlSi10Mg, Ti6Al4V) son las más adecuadas para ciclos térmicos lunares.
Los mejores candidatos de acuerdo a los diferentes requerimientos son:
- Mejor frecuencia: 1) Lattice - empleando mismo volumen. Tecnología: CNC.
- Mejor factor de seguridad y desplazamiento: 0) Original. Tecnología: SLM.
- Mayor reducción de peso: 2) Top. Opt. + Shell (1,3 mm) - empleando mismo volumen. VC: 0,2. Tecnología: SLM.
- Mejor coste-pieza: 2) Top. Opt. + Shell (3 mm) - empleando mismo volumen. VC: 0,2. Tecnología: SLM.
Selección de mejores opciones
| Diseño | Material | Peso (g) | Factor de seguridad | Desplazamiento máx. | Frecuencia (Hz) |
|---|---|---|---|---|---|
| Original CNC | Al 7075 | 2096 | 16,4 | 2,79 mm | 1313 |
| Lattice | Al 7075 | 1382 | 8,1 | 1,13 mm | 1426 |
| TopOpt + Shell (3 mm) | AlSi10Mg | 586 | 5,1 | 1,14 mm | 736 |
| TopOpt + Shell (1,3 mm)** | Ti6Al4V | 523 | 7,5 | 1,13 mm | 754 |
Fabricabilidad
Debido al tipo de tecnología empleada (SLM) y al tipo de estructura interna empleada, es necesario practicar orificios de purga con tal de que el polvo metálico se pueda evacuar del interior de la pieza. En la captura inferior (imagen derecha - sección del brazo) se pueden apreciar los canales internos.
Ubicación de los canales de drenaje del polvo.
Captura renderizada de la pieza final en Fusion 360.
Este trabajo muestra cómo la optimización topológica en combinación con la fabricación aditiva es un dúo a considerar en este tipo de proyectos, donde cada kg en órbita puede suponer un coste de cinco cifras.
Trabajo futuro
Conviene mencionar que este trabajo tiene aspectos a mejorar o que convendría ampliar. A continuación un breve análisis con propuestas de mejora y líneas de trabajo futuro:
Aspectos mejorables o incompletos
❌ Falta de validación experimental (prototipo impreso o ensayo físico).
❌ Análisis térmico simplificado (sin acoplamiento termo-mecánico transitorio).
❌ Optimización “monobjetivo”: se optimiza masa, pero no simultáneamente rigidez térmica, coste y frecuencia.
❌ Diseño de juntas simplificado: un estudio posterior debería contemplar el diseño y la simulación de las uniones con tal de evaluar su comportamiento en servicio.
❌ Consideraciones de fabricación limitadas: se añaden canales de drenaje, pero no se analizan distorsiones térmicas o tensiones residuales post-impresión.
1. Acoplamiento termo-mecánico transitorio
En lugar de un análisis térmico estático con salto de temperatura fijo (+150 → −180 °C), se podría aplicar un modelo transitorio de 24 h lunares (∼354 h terrestres) con variación progresiva de temperatura. Esto permitiría estimar:
- Dilataciones acumulativas.
- Relajaciones térmicas.
- Riesgos de fatiga térmica o microfisuración en materiales como AlSi10Mg.
2. Optimización multiobjetivo
Usar un enfoque multiobjetivo que incluya simultáneamente:
- Minimización de masa.
- Maximización de rigidez (compliance inversa).
- Minimización de desplazamiento térmico.
- Penalización de coste de fabricación.
3. Evaluación de comportamiento dinámico y fatiga
Las vibraciones durante el lanzamiento (5–6 G) o desplazamiento sobre regolito implican solicitaciones cíclicas. Sería valioso incluir:
- Análisis modal ampliado (>10 modos, hasta 2 kHz).
- Fatiga de bajo número de ciclos (LCF) y vibración aleatoria.
- Validación del límite de resistencia a fatiga (S–N) para AlSi10Mg y Ti6Al4V fabricados por SLM, considerando anisotropía de capas.
4. Análisis de fabricación y postprocesado
Incluir simulaciones de deformación térmica y tensiones residuales durante la impresión. Esto permitiría:
- Predecir deformaciones dimensionales.
- Evaluar estrategias de orientación y recocido.
5. Validación experimental
Fabricar una o dos versiones optimizadas (por ejemplo, AlSi10Mg y Ti6Al4V) e instrumentarlas con galgas. Ensayar:
- Carga estática (para validar el modelo FEA).
- Ensayo térmico cíclico (cámara climática).
- Vibraciones y resonancia.
6. Evaluación funcional
El estudio trata el brazo como componente aislado. Podría ampliarse a un análisis de sistema completo:
- Integración con el chasis y ruedas.
- Cargas distribuidas en los puntos de contacto reales.
- Efectos del polvo lunar (regolito) en fricción y abrasión.
- Efectos de la radiación.
Recursos:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809920301867
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0273117714008035
